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西安交大再發《Nature》：新型抗氫脆鋁合金！

2025-05-07 17:33:43 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室劉剛教授和孫軍院士團隊，面向重大應用需求，創制出新型抗氫脆鋁合金！研究結果以“基于結構復雜相工程化設計創制抗氫脆鋁合金”（Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys）為題在線發表在《自然》（Nature）期刊上。

這是團隊繼耐高溫鋁合金之后，又一類面向重大應用需求，開發的新型鋁合金材料，將積極開展大噸位中試實驗，以早日實現工程化應用。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08879-2

研究背景

“雙碳”戰略下“氫能經濟”是未來社會發展的重要推動力，其中氫的存儲與運輸對結構金屬材料的服役性能提出了更高要求。

鋁合金具有輕質、高比強、低溫性能優異等眾多優點，是輕量化發展的首選金屬材料，也是“氫能經濟”的重要候選材料。但是鋁合金與高強鋼、鈦合金等其他金屬材料類似，表現出明顯的“氫脆”敏感性，即在吸收氫原子后其變形能力下降、塑性降低，極易引起低應力脆斷和無征兆失效。例如傳統的高強鋁合金材料在僅僅1~3 ppmw（ppmw：百萬分子一重量比）充氫量下，拉伸延伸率與未充氫相比降低幅度超過50%。

氫脆這一號稱“金屬界瘟神”的、服役環境導致的性能退化行為，嚴重制約了鋁合金在“氫能經濟”以及潮濕服役場景下的廣泛應用。

經過多年的深入研究，已經提出了多個氫脆的機制模型，也發展了一些抑制氫脆的微觀組織設計方法。特別得益于近年來迅速發展的三維原子探針技術在原子層級上的精準定量表征，研究者們逐漸意識到：調控金屬間化合物第二相顆粒將是提升鋁合金抗氫脆能力的有效手段，第二相顆粒吸氫能力越強（即氫結合能E_b越大）、越傾向于作為氫陷阱捕獲和穩定氫原子，從而降低氫在晶界、相界等氫脆裂紋萌生位置處的偏聚。但是目前還缺乏第二相顆粒特性與分布及其對鋁合金抗氫脆能力影響的綜合認知，因此第二相顆粒的調控策略尚不清晰健全，基于第二相顆粒調控的抗氫脆鋁合金仍未邁入理性設計階段。

研究成果

針對抗氫脆鋁合金的重大需求，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室劉剛教授和孫軍院士團隊開展了系統研究。

他們發現：鋁合金中自然形成的金屬間化合物第二相顆粒，其氫陷阱特性與分布特征往往無法同時滿足高吸氫的基本要求。在凝固過程中形成的微米量級粗大結晶相顆粒（Constituent particles）常含有Mn、Cr或Fe等低固溶度和高熔點元素，雖然E_b較大、吸氫能力較強，但是分布密度小、界面比例低，不利于吸氫的動力學過程；時效過程中形成的納米沉淀相顆粒（Precipitate particles）雖然數密度大、界面比例高，但是其晶格常數與基體鋁極為相近，E_b無一例外均較低，在熱力學上不利于吸氫；而均勻化或者固溶處理過程中形成的亞微米量級彌散相顆粒（Dispersoids particles）在吸氫特性和分布特征上則分布處于結晶相顆粒與沉淀相顆粒之間（圖1）。

抗氫脆鋁合金第二相顆粒調控的基本原則是高密度均勻分布（高體積百分數）、同時高氫結合能E_b，在自然形成的顆粒難以直接實現的困境下，人為設計復雜析出過程、靶向性創制高E_b第二相顆粒的納米化彌散分布成為了可行的調控策略。其中復雜金屬相（Complex metallic phase, CMP）是一類特殊的金屬間化合物，具有二十面體配位方式、單胞所含原子數量多、晶格常數大等特點；而Samson相Al₃Mg₂作為最復雜的CMP之一，其1832個點陣位點僅被1168個Al或Mg原子占據（圖2），近40%位點為結構無序或結構空位，是天然優異的氫陷阱，第一性原理計算表明其E_b大于0.9 ev/atom，超越了鋁合金中已報導的所有第二相顆粒。但是Samson-Al₃Mg₂相形核能壘高，一般在晶界等高能量位置上非均勻形核且粗化成微米尺度顆粒，很難在晶粒內形成高密度彌散分布，其瓶頸問題與結晶相顆粒類似。因而Samson-Al₃Mg₂相的納米化可控析出，是解決這一問題的根本途徑，也是工程化創制抗氫脆新型鋁合金的一條有效途徑。

該團隊聯合國內外相關研究團隊，在微量Sc添加的Al-Mg（Mg含量4.5~7.5 wt.%）合金中，設計了兩步熱處理的雙級析出制度：第一步熱處理先在晶粒內預設高密度的L1₂結構Al₃Sc納米顆粒，由于固態相變的能量起伏、成分起伏和濃度起伏效應，Al₃Sc納米顆粒的尺寸統計學上呈正態分布，平均尺寸約為14 nm；基于Samson-Al₃Mg₂相的前驅體Al₃Mg同樣具有L1₂結構且晶格常數與Al₃Sc相近，在第二步熱處理中通過類模板效應誘導Al₃Mg在Al₃Sc/基體界面上原位析出，進一步藉由原子尺度的Mg、Sc原子交互作用，在Al₃Sc上生成了具有Samson晶體結構的Al₃（Mg,Sc）₂納米相（圖3）。

進一步深入研究發現，這一原位相變行為表現出強烈的尺寸效應：小于約10 nm的Al₃Sc納米顆粒保持與基體之間良好的共格關系，僅存在界面上一定程度的Mg原子偏聚；只有大于該臨界尺寸的Al₃Sc才會在界面上產生失配位錯，促進了Mg的擴散、偏聚和析出，最終形成核殼結構Al₃（Mg,Sc）₂/Al₃Sc復合納米相（圖4）。

高密度的雙顆粒分布下，細小的Al₃Sc納米顆粒（密度約2.4 × 10²¹ m^-3）顯著提高了強化效果，而高E_b的Al₃（Mg,Sc）₂/Al₃Sc復合納米顆粒（密度約5.6 × 10²¹ m^-3）則起到了優異的氫陷阱作用，使得Al-Mg-Sc合金與未添加Sc相比強度提高40%、抗氫脆能力提高近5倍，在高達約7.0 ppmw的充氫量下其拉伸延伸率降低幅度仍小于10%（圖5），拉伸均勻延伸率大于10%，優于已報道的其他鋁合金材料。